论文总字数：20399字

摘 要

导电导热高分子复合材料，因为其优秀的导电导热性能、低成本、电阻率可控等特点，已经广泛应用于抗静电、防电磁屏蔽、双极板等领域。本文在探究了聚丙烯（PP）/炭黑（CB）和PP/碳纤维（CF）复合材料的渗滤阈值的基础上，采用熔融共混法制备了不同CB/CF配比的PP/CB/CF复合材料，探究了CB与CF对复合材料导热导电性能的影响，及CB、CF之间的协同效应。利用扫描电子显微镜（SEM）观察了复合材料的微观形貌，使用光学显微镜观测、计算、评估CB与CF的分散等级及分散状态，并与理论计算相结合，分析复合材料中的协同机理。

关键词：复合材料 渗滤阈值 导电网络 协同效应

A study on the electrical and thermal conductivity of polypropylene/carbon black/carbon fiber ternary composites

Abstract

Conductive and thermal conductive polymer composite materials have been widely used in antistatic, anti-electromagnetic shielding, bipolar plates and other fields due to their excellent thermal conductivity, low cost, and controllable resistivity. On the basis of exploring the percolation threshold of polypropylene (PP) /carbon black (CB) and PP/carbon fiber (CF) composite materials, this paper uses melt blending method to prepare PP/CB/CF composite materials with different CB/CF ratio to explore the influence of CB and CF on the electrical and thermal conductivity of composite materials and the synergistic effect between CB and CF. The micro-morphology of composite materials were characterized by using scanning electron microscope (SEM). The dispersion level and dispersion state of CB and CF were observed, calculated and evaluated by using optical microscope. The synergy mechanism in composite materials was analyzed by the results above, combined with theoretical calculation.

Keywords: composite material; percolation threshold; conductive network; synergy effect

目录

摘要 I

Abstract i

第一章 引言 1

第二章 绪论 2

2.1 导电导热高分子材料的概述 2

2.2 复合材料导电机理概述 3

2.2.1 导电网络的形成 3

2.2.2 载流子的迁移 4

2.3 复合材料的导热机理概述 4

2.4 导电导热性能的影响因素 5

2.4.1 聚合物基体 5

2.4.2 填料 7

2.4.3 加工方法及加工条件 8

2.5 导电导热高分子材料研究进展和应用前景 9

2.6 本文的研究内容 9

第三章 实验方案 11

3.1 实验原料及仪器 11

3.2 样品制备 11

3.3 样品测试 13

3.3.1 体积电阻率测试 13

3.3.2 导热系数测试 13

3.3.3 CB的分散状态测试 13

3.3.4 CF的分散状态测试 13

3.3.5 扫描电子显微镜（SEM）观察 14

3.3.6 流变行为测试 14

3.3.7 力学性能测试 14

第四章 结果与讨论 15

4.1 CB和CF对复合材料的导电和导热性能的影响 15

4.1.1 导电性能 15

4.1.2 导热性能 16

4.2 PP/CB/CF复合材料的微观结构 18

4.2.1 光学显微镜观察CB分散状态 18

4.2.2 光学显微镜观察CF的分散状态 19

4.2.3 SEM观测填料分布 20

4.3 PP/CB/CF复合材料的流变性能 20

4.4 PP/CB/CF复合材料的力学性能 22

第五章 期望结论 24

参考文献 25

致谢 28

引言

传统高分子聚合物材料自身是电热绝缘体，然而因为电子器件向着更小更轻的方向发展，这要求材料既需要优异的导电性能，还需要具备良好的散热性能，因此导电导热高分子将成为未来高分子材料发展前进的一个重点方向。

由电热绝缘聚合物和各种导电导热填料制得的复合型导电导热高分子是目前普遍应用的一类材料，其中填料的使用对于体系导电导热性能有着重要影响。导电导热复合材料具有制造过程简单、成本低廉、电热性能可调等特点，在抗静电、柔性电子、电磁屏蔽等领域有着优秀的发展前景。

在复合材料中，填料的网络形态结构与材料的导电能力直接相关。通过从聚合物基体、填料、加工方法及条件三方面的调控，可以控制网络的形态结构，使原先绝缘的复合体系具备优秀的导电能力。其中渗滤阈值是指导电网络结构初步形成时的填料含量，在渗滤阈值附近，添加极少量的导电填料都会显著降低电阻率。降低渗滤阈值意味着填料使用量的减少，既节约了成本，又降低了加工难度。因为降低渗滤阈值能够带来许多收益，所以在这一领域的研究越来越多。

目前大多数研究者主要是通过调节填料分布与基体形貌来实现渗滤阈值的降低，但是对于填料之间的协同效应的研究却不够全面。由于填料间结构性质的不同，复合使用不同种类的填料会产生相应的协同效应，可以在体系中形成独特的网络结构，电流和热流在其中的传导效果更佳，填料的使用量更少，即减小了体系的渗滤阈值。

本课题将研究聚丙烯（PP）/炭黑（CB）/碳纤维（CF）体系中CB与CF复合使用对复合材料导电导热性能的影响，探究其协同效应机理。通过观测复合材料的微观形貌和结构，测试其电阻率和热导率，利用理论实践相结合的方法，结合力学性能及流变性能的测试结果，分析CB与CF之间的协同效应机理。

绪论

导电导热高分子材料的概述

从材料的结构、制备方法以及导电机理的差异上，导电高分子材料可以划分为结构型（本征型）和复合型这两大类别。

结构型导电高分子一般指材料自身具有共轭π结构而具有导电能力的材料^[1]。但结构型导电高分子本身的导电能力十分弱小，所以根据其特殊的结构和导电机理，选用掺杂剂掺杂来帮助这类材料拥有实用的导电能力，掺杂机理是为复合体系提供大量的载流子。但目前大多数制成的结构型导电高分子的导电性能不理想，不符合实际生产使用的要求，而且材料整体难熔难以加工，另外掺杂剂多数是污染性强的物质，因此，结构型导电高分子在社会生产中受到限制。

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